钢木组合结构研究综述★

张如玉 杨宝磊 李国东 郝丹青

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

随着我国社会经济的不断发展，节能、环保、可持续理念的不断深入，钢木组合结构成为我国建筑发展的潮流和趋势，极具发展前景。钢木组合结构将钢材和木材的优点结合起来，充分发挥钢材与木材的优越性，弥补了钢板截面薄、板件局部屈曲和畸变屈曲导致的构件承载力不高，以及木材脆性大、抗弯能力不足等力学缺陷，进而达到结构性能的优化。

1 钢结构与木结构的特点

1.1 钢结构的特点

钢结构[1]是一种重要的工程结构类型，在建筑工程、桥梁工程及其他各类工程中都有广泛的应用和发展前景。与其他结构相比，钢结构具有以下特点：钢材强度高。虽然钢材的密度较大，但其密度与强度的比值较小，因此结构相对较轻。在相同的跨度并承受相同的荷载的情况下，钢筋混凝土屋架的重量约为普通钢屋架重量3倍～4倍，为冷弯薄壁型钢屋架重量的10倍。钢材拥有较高的塑性和韧性，以至于在破坏前可以产生较大的塑性变形，进而吸收和消耗能量，破坏易于被发现，可以及时采取补救措施，一般不会因偶然超载而突然断裂。适宜在动力荷载下工作，抗震性能好。钢材的材质均匀，工作可靠性高。与砖石和混凝土相比，钢材属于单一材料，且接近各向同性。钢结构所用材料均为各种型材，而且钢材具有良好的加工性能和焊接性能，使钢材制作比较简单且适用于机械化加工，施工周期短。钢结构的密闭性能好，可以满足有密闭要求的结构。采用钢结构还有利于保护环境、节约资源。除此之外，钢结构也存在一些弊端，如钢材耐热但不耐火，在高温状态下钢材容易进入热塑性状态，完全丧失承载能力；钢材在潮湿的环境中易于锈蚀，会影响结构的承载能力；在低温下钢材还有脆性破坏的倾向，应引起足够的重视。

1.2 木结构的特点

首先，木结构[2]是节能、环保的绿色建筑材料，与钢材和混凝土材料相比，木结构建筑的耗能、二氧化碳排放量、空气污染指数、生态资源耗用指数和水污染指数等均较小。因此，木结构的整体性能较钢结构和混凝土结构来说要好。其次，相比较混凝土材料和钢材，木材的可再生具有更大的优势，一般的树木生长周期为50年～100年，速生树种周期可缩短为20年～30年。通过合理采伐和科学种植，可以做到采伐和生长量平衡。第三，木结构建筑安全可靠，最适合人居。木结构轻质高强，密度与强度之比更小，抗震性能好，事实上，在一些大的地震中木结构建筑造成的伤亡与损失要远远小于其他建筑，例如在日本，木结构就被广泛地运用于各种建筑。而且，木结构还是良好的隔热、隔声材料，木结构建筑供热、空调耗能较低，加之木材的天然纹理，给人以亲近、回归自然的感觉，居所温馨而舒适。最后，现代木结构基本实现工厂化生产，制作加工方便。与钢结构类似，木结构有优点也有缺陷，其最主要的缺陷在于木材的天然缺陷如节子、孔洞等的存在会严重影响木材的受力性能，而且木材不同于钢材，无法焊接，其连接方式比较局限。

2 钢木组合结构的优势

作为一种新型的组合结构体系，钢木组合结构的优越性主要体现在可以充分发挥钢结构和木结构的优点，相互取长补短，提高整体结构的刚度和承载能力。而且，钢木组合结构的节点链接多设置为铰接，铰接的好处在于可以让整个结构体系具有较大的柔度，且木结构和钢结构本身均为韧性好的材料，在地震时，可以消耗相当一部分的能量，提高结构整体的抗震性能。

3 胶合木及钢木组合结构的研究进展

3.1 胶合木研究进展

胶合木是一种以厚度不大的胶合木层板叠加胶合而成的工程木制品，相比较原木材来说，胶合木具有很多优点，胶合木的缺陷较少，并且较分散，因而强度有所提高；胶合木可以有不同的组坯方式，将性能较好的层板放到最外面，充分利用了材料；胶合木可以实现大尺寸构件生产，不受原木材规格的限制且稳定性较好；胶合木可以加工成多种形状，进而更好的满足建筑的需要。目前，国内外的很多学者对胶合木进行了较为广泛的理论分析、试验研究及有限元分析。

周华樟、祝恩淳等[3]通过对胶合木曲梁进行多次加载试验，对胶合木曲梁的极限承载力及破坏性能进行研究与分析，得出结论：距中性轴距离越近，胶合木曲梁纯弯曲区横纹应力越大，反之越小，且以胶缝为分界线，呈锯齿状分布；并建立了相应的胶合木开裂损伤本构模型，通过有限元分析成功预测了胶合木曲梁的横纹开裂、极限承载力以及开裂前后的刚度状况。

孙小鸾，刘伟庆等[4]通过对8榀张弦胶合木梁以及2榀普通木梁进行对比试验研究，得出结论：张弦胶合木梁较普通胶合木梁具有更高的极限承载力，受压性能得到充分的发挥，且表现出明显的塑性特性；张弦胶合木梁跨高比越大，其受弯极限承载力和刚度均有所降低；增加垂跨比可以使张弦梁的受弯承载力显著提高；适当增加腹杆数量可以使张弦梁的受弯承载力、弯曲刚度以及延性显著提高。

陈旭、祝恩淳等[5]通过对层板胶合木梁中因环境变化而产生的横纹湿热应力进行有限元模型分析计算，得出结论：湿度变化产生的横纹应力对梁的不利影响显著，在设计中应对此予以考虑，温度变化产生的横纹应力较小，在一定条件下可以忽略。

3.2 钢木组合结构受力性能研究现状

潘福婷、王艳华等[6]通过对截面尺寸相同、约束情况不相同的钢柱与钢木组合柱进行受压承载力试验，并运用有限元分析软件对比了两种柱的变形和强度，得出结论：钢木组合柱由于外侧木板提供了侧向刚度，在轴向压力作用下，其侧向变形较小，承载力更高。

周绪红、李喆、王瑞成等[7]，通过对螺钉间距不同其他构造均相同的两块足尺构件进行单调静载试验，利用有限元分析的方法比较分析了螺钉间距对组合楼盖受弯承载力的影响，得出结论：螺钉间距减小，组合楼盖的受弯承载力及变形能力均有所提高。

赵东拂等[8]通过对三组钢筋弯折形式不同，其他条件相同的钢木组合柱进行受压承载力试验，并进行有限元分析对比，结果表明，三组钢筋弯折形式不同的钢木组合柱的滞回曲线有较大差异，钢筋弯折形式的改变对钢木组合柱的受力性能有较大的影响。

刘洋,陈志华,安琦等[9]通过对两组轻型钢木组合剪力墙和一组轻型钢框架试件的承载力对比试验，得出结论，轻型钢木组合剪力墙的承载力较高，有无OSB板和板厚对轻型钢木组合剪力墙的承载力有所影响，板厚增加，承载力提高。

4 结语

钢木组合结构的优越性显著，但由于我国木材资源相对匮乏，森林人均面积仅为世界人均面积的1/3，很多木材、木制品依靠进口，而且钢木结构之间的连接以及使两种材料更好地协调变形、共同受力，进一步提高钢木组合结构的整体承载能力仍是有待解决的问题，因此到目前为止，钢木组合结构建筑在我国并未得到广泛应用。不过钢木组合结构的前途是光明的，随着我国经济建设的发展，基础设施的完善，人民生活水平的进一步提高，钢木组合结构建筑特别是木结构建筑的竞争优势将会逐渐显露出来。